地质雷达在公路隧道衬砌质量检测中的应用

汪　洋　钟　鸣　王连成　谢　锋

(招商局重庆交通科研设计院有限公司　交通部隧道建设与养护技术交通行业重点实验室　重庆　400067)

摘　要　阐述了地质雷达检测基本原理,检测过程中采集参数的设置、测线布置以及数据的处理和解释,并以工程中的应用实例,详细分析了地质雷达检测衬砌厚度、衬砌后脱空及不密实、衬砌内钢筋及钢支撑分布等成功的应用。

关键词　隧道　衬砌　地质雷达　检测

　　近十年来,随着国民经济的迅速发展,公路交通

建设规模日益扩大,公路隧道在山区和丘陵地区公

路建设中所占的比重越来越大,传统的检测手段如

电阻率法、瞬态瑞利波法、钻孔取芯等已无法满足工

程的需求。地质雷达作为一种新的无损检测技术,

在公路隧道衬砌质量检测中有着无可比拟的优势。

1　地质雷达检测基本原理

根据电磁波在有耗介质中的传播特性,地质雷

达以宽频带短脉冲的形式向衬砌及围岩发射高频电

磁波(几MHz-几GHz),当其遇到衬砌与围岩、围

岩中的空洞或欠密实区、围岩中的含水区或裂缝、衬

砌裂缝等目标体时会反射部分电磁波,其反射系数

由介质的相对介电常数决定,通过对雷达主机所接

收的反射信号进行处理和图像解释,达到识别目标

体的目的。

电磁波在特定介质中的传播速度V是不变的,

因此根据地质雷达记录上的地面反射波与地下反射

波的时间差ΔT,即可计算出目标体的深度H:

H=VΔT

2

(1)

式中,H为目标层厚度;V为电磁波在目标介质中的传播速度,其大小由下式表示:

V=C

ε

(2)

式中,C是电磁波在大气中的传播速度,约为3×108m/s;ε为相对介电常数,取决于衬砌及围岩的介电常数。

雷达波反射信号的振幅与反射系数成正比,在以位移电流为主的低损耗介质中,反射系数r可表示为:

=εε

ε+ε

(3)

式中,ε1、ε2为界面上、下介质的相对介电常数。

反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电

性差异,电性差异越大,反射信号越强。雷达波的穿

透深度主要取决于目标介质的电性和中心频率。导

电率越高,穿透深度越小;中心频率越高,穿透深度

越小,反之亦然。

2　采集参数设置

地质雷达设置的采集参数,直接影响到采集数

据的质量,而不同的测量天线又对应不同的采集参

数。通常在做初期支护质量检测时,选用900M天

线,采集时窗控制在15-20ns,每道采样点数控制在

256-512;做二次衬砌质量检测时,选用400M天线,

采集时窗控制在50-60ns,每道采样点数控制在512

-1024。这样既保证了采集的深度,衬砌及围岩信息

都能提取出来,同时又保证了数据采集的质量。

3　测线布置

为反映隧道衬砌整体质量,检测时通常沿隧道

轴向布置5条测线:拱顶、左拱腰和右拱腰以及左边

墙和右边墙,如图1

。

图　探地雷达测线布置图

5

r 1-2

12

1

4

4　数据处理与解释

地质雷达数据处理包括预处理和处理分析。预处理包括标记和桩号校正,时间校正,添加标题、标识,确定介电常数等。处理分析主要指压制规则和随机干扰信号,以提高反射波的分辨率,突出有用的异常信息(包括电磁波速度,振幅和波形等)来帮助解释。地质雷达的图像解释是最终目的,其正确解释取决于检测参数选择合理、数据处理得当、模拟实验类比和读图经验等因素。

5　应用实例

5.1　二次衬砌厚度检测

根据地质雷达检测基本原理,电磁波从二次衬砌混凝土进入初支混凝土时,由于二次衬砌混凝土、防水布以及初支混凝土介电常数的差异,反射波信号增强,从而形成一个强反射界面,以此作为判断二次衬砌厚度的依据,图2、图3分别显示了二次衬砌混

凝土为素混凝土和钢筋混凝土时的二衬厚度情况。

图2　

素混凝土二次衬砌厚度图

图3　钢筋混凝土二次衬砌厚度图

5.2　衬砌混凝土脱空和不密实检测

当衬砌混凝土不密实有孔隙,混凝土后存在脱空时,由于空气与混凝土介电常数差别较大,电磁波在混凝土与空气之间将产生强反射信号。当脱空量

较大时,电磁波会形成多次反射,根据电磁波在脱空区内的双程旅行时,可初步估计脱空的深度。图4显示了素混凝土后脱空情况,图5显示了素混凝土后初支回填欠密实情况,图6显示了钢筋混凝土欠密实情况,图7显示了钢筋混凝土后脱空情况,图8显示了钢筋混凝土后初支回填欠密实情况

。

图4　

素混凝土后脱空

图5　

素混凝土后初支回填欠密实

图6　

钢筋混凝土欠密实

图7　钢筋混凝土后脱空

6

4

图8　钢筋混凝土后初支回填欠密实

5.3　钢筋和钢支撑检测

公路隧道中所使用的钢筋和钢支撑均属金属良性导体。根据电磁波基本原理,电磁波在传播过程中遇到金属导体时,由于较大的介电常数差异而会产生很强的反射信号,在雷达图上以“三角形”波显示出来。通过对“三角形”波的识别,就可以得出衬砌中钢筋和钢支撑分布情况。图9显示了素混凝土中钢支撑分布情况,图10显示了钢筋混凝土中钢筋

和钢支撑分布情况。

图9　素混凝土中钢支撑分布

6　结论与建议

地质雷达作为一种新的无损检测技术,能够快速、准确检测出公路隧道衬砌厚度、衬砌脱空及不密实区域、钢支撑分布情况等,适合现代大面积工程检测

。

图10　钢筋混凝土中钢筋和钢支撑分布

地质雷达检测过程中,雷达天线是以“圆锥体”形式向目标体发射电磁波,这样探测范围受探测深度的影响。当探测深度控制在1m 时,最大横向探测范围仅2m 左右。如何扩大雷达探测范围,是需要解决的一个难题。

隧道工程中,地面和衬砌表面往往起伏不平,导致检测过程中雷达天线的跳动而产生较大的干扰信号。检测长大隧道时,里程较长而累计的里程误差往往使检测结果失真。因此在开展检测工作时,需特别注意,以减小人为误差,提高检测精度。

参考文献

[1]　李大心.探地雷达方法及应用[M ].北京:地质出版社,

1994.

[2]　蔡建辉.地质雷达在高等级公路隧道衬砌质量无损检测

中的应用研究[J ].公路交通技术,2002(增刊):87-.

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